Жидкое и растворимое стекло презентация

План лекции
Определения: жидкие и растворимые стёкла.
Силикатный модуль.
Классификация жидких стёкол.
Основные характеристики растворимых и жидких стёкол.
Промышленные способы получения жидких стёкол:
двустадийный;
одностадийный.
Технология производства силикат-глыбы.
Технология растворения силикат-глыбы:
автоклавная;
безавтоклавная.
Типы автоклавов и их технические характеристики.
Теоретические основы процесса растворения силикат-глыбы. Факторы, влияющие на кинетику растворения.
Области применения жидкого стекла и растворимого стекла.

1861-1864 г.: начало промышленного выпуска растворимого стекла в США.

Жидкое стекло
Огнеупорность
Реакционная
активность
Адгезия и
вяжущие свойства
Фунгицидность
Нетоксичность
Коллоидно-химические
свойства

Растворимое стекло – твердые водорастворимые
стекловидные силикаты («силикат-глыба»)
M2O·nSiO2,
где М – Na+, K+
Жидкое стекло – водные щелочные растворы силикатов (независимо от вида катиона,
концентрации кремнезема, его полимерного
строения и способа получения растворов)
R2O – nSiO2 – xH2O,
где R – Na+, K+, Li+, (NH4)+
H+ → СH3, C2H5, C2H4OH и т.д.

Растворимые стёкла получают:
сплавлением кремнезёма с щелочными компонентами (содой, сульфатом натрия, поташом и др.), взятых в стехиометрических соотношениях, по технологии силикатных стекол.
Na2CO3 + nSiO2 = Na2O ∙nSiO2 + CO2
K2CO3 + nSiO2 = K2O ∙nSiO2 + CO2
2Na2SO4 + 2nSiO2 + C = 2(Na2O ∙ nSiO2) + 2SO2 + CO2
Границы стеклообразования:
в системе Na2O-SiO2 → 0 ÷ 52 мол. % Na2O
в системе K2O-SiO2 → 0 ÷ 54 мол. % K2O

Отличия
растворимого, жидкого и обычного силикатного стекла
SiO2 + Na2O + CaO + MgO + Al2O3
где R – Na+, K+, Li+, (NH4)+
где R – Na+, K+, Li+, (NH4)+
! многокомпонентный состав
! невысокое содержание щелочей

Жидкие стёкла получают:

n – молярный модуль;
nw –весовой модуль;
SiO2m% и M2Om%,
SiO2w% и M2Ow%
содержание SiO2 и оксида щелочного металла (M2O), мол.% и масс. % cоответственно
M2O·nSiO2, где М – Na+, K+, Li+
Cиликатный модуль, n - величина, выражающая молярное или массовое отношение SiO2 к оксиду щелочного металла.
В России чаще используется молярный модуль, за рубежом – массовый

Растворимое стекло
(силикат-глыба)
Измельчение и классификация
Растворение в автоклаве
Безводный порошок силиката натрия
Раствор силиката натрия (жидкое стекло)
Выпаривание
Распылительная сушка
Гидратированный порошок
силиката натрия
Гранулированный
силикат натрия
Аморфные формы SiO2, цеолиты, коллоидный SiO2
NaOH
Кристаллизация, сушка
Высокощелочной раствор силиката натрия
Ортосиликат натрия
Метасиликат натрия

Классификация жидких стёкол

Высокощелочные системы (n<2) – истинные растворы. Анионная часть представлена изолированными островными и групповыми силикатами [SiO4], [Si2O7] (тетраэдр, линейная группа тетраэдров).
Жидкие стёкла (n=2÷4) – растворы, являющиеся переходными от истинных к коллоидным, в которых анионная часть представлена поликремниевыми кислотами различной полимерности - кольцевые, цепочечные, каркасные структуры. (содержание SiO2колл до 50%).
Полисиликаты (n=4÷25) – растворы, являющиеся переходными от истинных к коллоидным, в которых кремнезем представлен в разнообразных формах - от ионов низкополимерных поликремниевых кислот до коллоидных частиц SiO2 с мол. массой до 106 (содержание SiO2колл 50÷90%).
Золи (n>25) - дисперсии частиц SiO2 в воде, стабилизированные щелочами (коллоидный кремнезем, мол. масса SiO2 > 108)
Электронно-микроскопический
снимок золя кремнезема

Растворимое стекло
«силикат-глыба»
Жидкое стекло
Основные характеристика растворимых
и жидких стёкол
высокощелочные
силикатные стекла
Силикатный модуль:
Na2O·nSiO2 (90%); n=2,6÷3,5
K2O·nSiO2; n=3÷3,5
K2O·qNa2O·nSiO2 n=2,75-3,35
(марка «НК»)
Содержание основных оксидов:
SiO2 70-76, Na2O 22-28 мас.%
SiO2 65-69, К2O 31-35 мас.%
Содержание примесей:
(Fe2O3+ Al2O3) - до 0,55 мас.%
CaO – до 0,3 мас.%
SO3 – до 0,25 мас.%
густые вязкие прозрачные слабоокрашенные жидкости
Силикатный модуль:
Na2O·nSiO2; n=2,0÷3,5; ρ=1,3-1,6
K2O·nSiO2; n=2,8÷4,0; ρ=1,25-1,4
Содержание основных оксидов:
SiO2 22,7-29,6; Na2O 7,9-13,8 мас.%
Содержание примесей:
(Fe2O3+ Al2O3) - до 0,9 мас.%
CaO – до 0,2 мас.%
SO3 – до 0,15 мас.%

Свойства жидких стекол,
важные для практических применений
Концентрация SiO2 30-33 мас.%; Na2O 10-13 мас.%
Плотность ρ=1,036-1,673 г/см3
Вязкость зависит от модуля и концентрации, а также от
состава, способа получения, температуры, наличия примесей,
возраста раствора.
Клейкость – способность склеивать различные поверхности.
Зависит от концентрации, модуля, состава, вяжущих свойств,
поверхностного натяжения.
Реакционная способность зависит от концентрации,
модуля и pH раствора.
Особенности протекания химических реакций: коллоидная природа
раствора; сильно развитая адсорбционная способность продуктов
реакций и их гидролиз.

Физико-химические показатели натриевого жидкого стекла (ГОСТ 13078-81)
* содержание оксидов приведено в массовых процентах
Калиевое жидкое стекло: ГОСТ-18958-73 Силикатные краски;
прочие стекла по ТУ-214510-010-45608905-13.

Натриевое жидкое стекло: ГОСТ-13078-81 Стекло натриевое жидкое. Технические условия.
Калиевое жидкое стекло: ГОСТ-18958-73 Силикатные краски;
прочие стекла по ТУ-214510-010-45608905-13.
Технические требования к жидким стеклам
по ТУ 214510-010-45608905-13

«+» - более простая технологическая схема
«–» - нестабильность технологических процессов (нестабильное сырье); высокие температуры и давление, худшее качество продукции, дефицит NaOH, необходимость тонкого измельчения сырья

Единственным промышленным способом получения силикатных растворов с катионами Li+ и NR4+ является растворение активного кремнезема (в виде аэросила, коллоидного SiO2 или других форм) в водных растворах LiOH или оснований четвертичного аммония NR4OH
2LiOH + nSiO2 = Li2O∙nSiO2 + H2O
2NR4OH + nSiO2 = (NR4)2O∙nSiO2 + H2O
Приготовленные растворы могут храниться месяцами и даже годами без заметных признаков изменения вязкости.

Технология производства силикат-глыбы
Сырьевые материалы:
кварцевый песок (без специального обогащения), сода, сульфат натрия + кокс (восстановитель), поташ, содо-поташная смесь.
Процесс стекловарения производят
в промышленных ванных регенеративных печах
с поперечным или подковообразным направлением пламени.
! 30-300т/сут.; q=1000-3000 кг/м2·сут.
tварки = 1400÷1450°С
Могут использоваться электропечи
с варкой под слоем шихты.

Технология производства жидкого стекла
по двухстадийному способу
d=2-15см
d до 2,5 см
(1-3 мм)

Технология растворения силикат-глыбы
Стационарный автоклав
Объем – 10 м3
Масса силикат-глыбы – 2500 кг
Объем воды – 3500 л
Производительность – 6000 кг раствора за 1 цикл
Температура – 135 - 165°С
Время – 5-6 час.
dкусков =20-150 мм
Последовательность операций: засыпка силикат-глыбы → залив горячей воды → герметизация → подача пара (вода от конденсации пара участвует в растворении) → прекращение подачи пара → растворение за счет экзотермической реакции → выгрузка жидкого стекла
в отстойник.

Технология растворения силикат-глыбы
Вращающиеся автоклавы
Диаметр – 2,8 м
Объем 11,5 м3-45 м3
Скорость вращения 1,8 об/мин
Производительность – 6000 кг раствора за 1 цикл
Давление – 0,3-0,7 атм.
Температура – 135 - 165°С
Время – 1-2 час.
dкусков =20-150 мм
Отстойник
Объем 20-100 м3;
τотстаивания – 24-72 часа.
Иногда применяют фильтрацию или выпаривание.

Теоретические основы
растворения силикат-глыбы

Факторы, влияющие
на кинетику растворения

Использование вяжущих свойств (способности к самопроизвольному твердению с образованием искусственного силикатного камня)
и адгезионных свойств по отношению к подложкам различной природы. Жидкое стекло выступает в качестве химической связки для склеивания различных материалов, изготовления покрытий и производства композиционных материалов.
Композиционные материалы – строительные растворы, цементы, бетоны, формовочные смеси, керамические формы и др.
Силикатные клеи – склеивание бумаги и картона, металлов, керамики, укрепление горных пород и грунта, брикетирование руд, концентратов, сорбентов.
Силикатные покрытия – огнезащитные, антикоррозионные, декоративные, противопригарные и др.
Жидкие стекла как источник растворимого кремнезема – единственное сырье для синтеза кремнеземсодержащих веществ: силикагеля, белой сажи, цеолитов, катализаторов.
Использование высокой щелочности и коллоидно-химических свойств. Синтетические моющие средства, отбелка и окраска тканей, производство бумаги.
Направления применения жидкого стекла

Использование вяжущих свойств щелочных силикатов
Покрытия
Композиционные
материалы
Клеи
Фасадные краски
Антикоррозионные
покрытия
Огнезащитные
покрытия
Гидроизоляция
Защитные укрепляющие
покрытия
Строительные растворы
и бетоны
Кислотоупорные растворы
и замазки
Огнеупорные и жаростойкие
растворы и бетоны
Теплоизоляционные материалы
и наполнители
Силикатизация дорог
и укрепление грунтов
Облицовочные плитки и кирпич
Опалубка
Кровельные материалы
Высокотемпературные
клеи для металла,
керамики и стекла
Склеивание бумажной
и картонной тары

Области применения жидкого стекла
Потребление силикатов натрия
в США (2000 г.)
Потребление силикатов натрия
в Западной Европе (2000 г.)
Общий объём потребления: 1136 тыс. т.
Общий объём потребления: 1260 тыс. т.
Химическая промышленность: производство кремнеземсодержащих продуктов (силикагели, цеолиты, тонкодисперсные виды кремнезёма и др.);
Производство вяжущих и строительных материалов;
Нефте- и газодобыча;
Целлюлозно-бумажная промышленность;
Водоподготовка;
Продукция бытового и промышленного назначения (моющие и чистящие средства, стиральные порошки).

Потребление силикатов натрия
химической промышленностью
Потребление силикатов натрия
химической промышленностью в США (2000 г.)
Общий объём потребления: 700 тыс. т.
Потребление силикатов натрия
химической промышленностью
в Западной Европе (2000 г.)
Общий объём потребления: 640 тыс. т.
Растворы силикатов натрия являются основным сырьем для производства силикагелей
и порошков кремнезема. В зависимости от особенностей технологии получаются силикагели, различные по структуре и свойствам. Применение золей кремнезема
в промышленности в основном связано с большой удельной поверхностью находящихся
в них нанодисперсных частиц SiO2 (от 100 до 600-700 м2/г).

Области применения растворимого стекла
Гидратированные силикаты
натрия и калия
Приготовление
жидкого стекла
Производство
сухих композиций
для изготовления
кислотоупорных
и огнеупорных
материалов
Водоподготовка
Производство моющих
и чистящих средств
Производство сухих
строительных красок
Производство сухих
концентратов для
буровых растворов
Производство
сварочных электродов
Производство сухих
строительных смесей
Добавка для
цементных бетонов
и торкрет-бетонов

Отечественные производители жидкого стекла
ООО «Оксиум» (Ульяновская обл.)
ОАО «Ивхимпром» (Ивановская обл.)
ООО «МЕТТЕРА» (Челябинская обл.)
ЗАО «Строительный комплекс» (Челябинская обл.)
АО «Кубаньжелдормаш» (Краснодарский край)
ЗАО «Армавирстекло» (Краснодарский край)
ОАО «Салаватстекло» (Респ. Башкортостан)
ОАО «Салавтнефтеоргсинтез» (Респ. Башкортостан)
ЗАО «Торговый дом «Стеклопродукт» (Рязанская обл.)
ОАО «Скопинский стекольный завод» (Рязанская обл.)
НПО «Силикат» (г. Санкт-Петербург)
НПП «Алектич» (Ростовская обл.)
Натриевое жидкое стекло
Силикатный модуль 2,6-3
Производительность 200-300 т/сут
Цена: 8000-10 000 руб/т

Контрольные вопросы
1. Определение и классификация жидких и растворимых стекол.
2. Основные параметры и характеристики растворимых и жидких стекол (состав, строение, силикатный модуль, физико-химические свойства).
3. Получение жидких стекол. Двустадийный и одностадийный способы.
5. Технология растворения силикат-глыбы: автоклавная, безавтоклавная.
4. Теоретическая основа процесса растворения силикат-глыбы. Факторы, влияющие на кинетику растворения (рН среды, степень измельчения, силикатный модуль, температура растворения, наличие примесей, перемешивание).
5. Области применения жидкого и растворимого стекла.

Вопросы для контрольной работы
1. Что такое силикатный модуль? Выражения для молярного
и массового модуля. Диапазон значений силикатного модуля для промышленных натриевых и калиевых стекол.
2. Перечислите и кратко охарактеризуйте свойства жидких стекол, важные для их практических применений.
3. По каким критериям (признакам) классифицируют и на какие виды подразделяют жидкие стекла?
4. Перечислите основные направления практического применения жидких стекол и поясните, благодаря каким свойствам их используют.

Литература
Григорьев П. Н., Матвеев М. А. Растворимое стекло. – М.: Промстройиздат, 1956. – 442 с.
Корнеев В. И., Данилов В. В. Жидкое и растворимое стекло. - СПб.: Стройиздат, 1996. – 215 с.
Брыков А. С. Силикатные растворы и их применение. – СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2009 – 54 с.
Бабушкина М. И. Жидкое стекло в строительстве. – Кишинев: «Картя Молдовеняскэ», 1971. – 223 с.
ГОСТ 13078-81 Стекло натриевое жидкое.